Посадка ракеты на землю

Обновлено: 05.10.2024

Почему SpaceX Илона Маска вообще сажает ступени? Почему не используются парашюты? Почему иногда посадка производится на сушу, иногда на плавучую баржу, а иногда вообще не производится? Тему возвращаемых ракетных ступеней окружает очень много таких вот “Почему”. И сегодня мы, Alpha Centauri, разберём большинство из них.Итак, первый вопрос, который приходит в голову: зачем вообще нужно сажать и повторно использовать ракетные ступени? Вы наверняка уже много раз слышали о том, что это позволяет удешевить запуски и сделать космос более доступным. Такая себе забота о заказчике. Но на самом деле в вопросе есть не только идеологическая и пиар–составляющая. А гораздо более весомая экономическая. Оператор пусковых услуг, имеющий возможность управлять стоимостью запусков, всегда будет в выигрыше. А многоразовость позволяет ещё и более гибко управлять частотой запусков. Так что получается двойной выигрыш.

Стоимость полностью новой ракеты Falcon 9, а точнее её пуска, — около 62 миллионов долларов. Давайте посмотрим на эту цену наглядно:

Первая ступень. Новая, она стоит около 40 миллионов долларов
Вторая ступень. Её стоимость — 12 миллионов
Головной обтекатель, ещё 6 миллионов сверху
Горючее и окислитель — пара сотен тысяч долларов
Всё остальное — обслуживание и прибыль компании

Как видим, первая ступень вместе с обтекателем составляют почти три четверти стоимости ракеты. Причём следует понимать, что весомая часть стоимости первой ступени — это девятка двигателей Merlin 1–D. На второй ступени движок всего один.

Зачем вообще нужна вторая ступень и почему одной никак не обойтись — смотрите в нашем видео “проклятье одноступенчатых ракет”:

Сама по себе жидкостная ракетная ступень — это просто большой цилиндр для подачи топлива в двигатели.

Так вот, давайте проведем очень упрощённые математические подсчёты. Допустим, у нас есть целая одна ракета, первую ступень которой мы можем вернуть и повторно использовать 10 раз.

Таким образом для каждого нового запуска нам нужны новая вторая ступень, топливо и головной обтекатель. Ну и обслуживание плюс прибыль. То есть примерно 22 миллиона долларов.

Умножим 22 миллиона на 10 пусков и добавим стоимость первой ступени. Даже от фонаря докинем к ней по миллиону за каждое обслуживание.

Получается 22 x 10 + 40 + 10 = 270 миллионов долларов, суммарная стоимость десяти запусков с одной и той же ступенью. А теперь стоимость тех же десяти стартов, но в случае новой ракеты на каждом:

62 x 10 = 620 миллионов долларов.

Я напомню, что это очень грубые расчёты, они необходимы только для понимания идеи. Из двух компаний, одна из которых вынуждена каждый раз строить новую ракету, а вторая — использует ступени повторно, вторая может позволить себе продавать запуски почти в два раза дешевле. Для сохранения прибыли она может позволить себе цену в 28–30 миллионов долларов, в то время как конкурент может играться в демпинг только пока запуск окупается : а это около 60 миллионов долларов. Запуск одного Протона стоит 65 миллионов долларов, самой тяжёлой версии Ariane 5 — 150 миллионов евро, а старты Delta IV Heavy оцениваются от 160 миллионов долларов.

Поэтому вопрос многоразового использования — это в первую очередь вопрос контроля рынка. Ниже себестоимость — выше возможности управления ценой. Буквально за пять лет SpaceX благодаря гибкости ценообразования практически вывела с рынка коммерческих запусков Роскосмос и серьёзно отъела потенциальных клиентов у Европейских и американских конкурентов, Arianespace и United Launch Alliance.

Но и здесь деньги сами по себе не являются главной целью компании. Как вы знаете, SpaceX сейчас активно занимается выведением на орбиту собственной группировки спутников Starlink. Она позволит покрыть всю планету постоянным качественным соединением. Однако для размещения на низкой околоземной орбите нужны сотни аппаратов, в идеале — даже тысячи! И при возможности вывести всего 60 спутников за раз запланированный минимум в 12 000 аппаратов потребует целых двести запусков. Поэтому максимальное удешевление одного запуска просто необходимо. Обанкротившийся недавно конкурент Starlink, компания OneWeb, которая должна была обеспечить заказами Роскосмос, не даст соврать.

Подведём промежуточный итог. Если вашей целью является запуск пары десятков тысяч спутников и контроль за рынком запусков, вам просто необходим дешёвый носитель и запас в стоимости для демпинга. Именно два этих компонента можно назвать причиной, почему SpaceX вообще взялась за многоразовость.

Хорошо. Как мы знаем, первые ступени Falcon 9 и блоки первой ступени Falcon Heavy совершают реактивную посадку, то есть замедляются до нулевой скорости при помощи реактивной струи из двигателей. Также должна садиться и будущая ракета Starship, испытания её базового прототипа под названием Starhopper мы наблюдали в прямом эфире. Но почему не использовать самый очевидный способ возврата ступени, парашют?

Этот вопрос, кстати, нам продолжают задавать во время прямых трансляций до сих пор. На самом деле здесь в работу вмешиваются три основных фактора.

Зависимость от погодных условий тоже никто не отменял: сильный порывистый ветер будет уносить ступень далеко от предполагаемого места падения, а сегодняшние метеорологические возможности не позволяют точно предсказать куда именно должна будет приземлиться наша ракета. Да, иногда запуски Falcon 9 переносят из–за плохой погоды около баржи, но всё–таки реактивная посадка оставляет больший диапазон подходящих погодных условий.

Ну и грустный опыт Шаттлов, да и самих “Фэлконов”, показывает, что приводнение в солёную воду океана может серьёзно навредить электронике. При этом возникнут трудности с быстрым повторным использованием ступени, что противоречит заявленным планам компании в виде возможности повторных запусков в течение одних суток после возврата.

Есть конечно и другой способ использовать парашют, предложенный компанией Rocket Lab, но о нём мы поговорим позже. На деле же если вы всерьёз собираетесь возвращать первые ступени своей тяжёлой ракеты–носителя, реактивная посадка является очевидным, самым удобным и самым надёжным способом.

Ну окей, допустим, мы в ракетной компании решили, что нам нужны многоразовые первые ступени. И что их посадка будет реактивной. Давайте теперь выясним, что они должны “уметь”, какими свойствами обладать.

Чтобы ракета туда долетела, мы должны каким–то образом ею управлять, рулить. Здесь пригодятся движки ориентации и самые настоящие решётчатые рули, позволяющие стабилизировать и направлять ступень, взаимодействуя с потоками воздуха, особенно на сверхзвуковой скорости.

Ну и не стоит забывать об ещё одном важном моменте: для реактивной посадки ступени нам необходимо топливо, которое позволит зажигать двигатели. Здесь мы плавно переходим к следующему пункту.

Да, возврат ступени невозможен с пустыми баками. Нам всегда нужно оставить хоть немного топлива, чтобы выполнить на орбите и около поверхности определённые манёвры, о которых поговорим позже.

Falcon 9 — ракета тяжёлого класса, она способна выводить на различные орбиты довольно тяжёлые грузы. И возможность возврата ступени сама по себе зависит от двух переменных: параметров орбиты (высота, наклонение) и массы выводимой полезной нагрузки.

От массы зависит то, сколько топлива в секунду мы будем сжигать, ведь чем она больше, тем большая тяга необходима. А от орбиты зависит точка, в которой первая ступень окажется после отделения от второй.

Поэтому когда мы запускаем лёгкий груз на низкую околоземную орбиту с удачным наклонением, у нас остаётся много топлива, а путь к наземной посадочной площадке совсем небольшой, топлива вполне достаточно.

Как видите, даже в минимальном приближении посадка — комплексный и сложный процесс. Но мы ведь не можем не рассмотреть его более детально.

Итак, начинается всё в момент разделения ступеней. Тут нас ждёт небольшое количество англоязычных терминов. Мы конечно же поясним их смысл, но точных русскоязычных аналогов подобрать невозможно, потому что Роскосмос не занимается возвратом ракет. Рассмотрим сначала вариант возвращения к месту старта. Первая ступень активно маневрирует двигателями ориентации, чтобы уйти от пламени, вырывающемся из двигателя второй ступени. При этом первая ступень ещё и разворачивается. Включает 3 двигателя Merlin для выполнения Boostback burn — этап, который нужен для погашения и изменения направления горизонтальной компоненты скорости ступени. С вертикальной компонентой справится гравитация Земли, нет смысла тратить на неё топливо. Поэтому при возврате к месту старта первая ступень подлетает вверх.

Перед входом в плотные слои атмосферы выполняется Reentry burn: три двигателя зажигаются ещё раз. Ведь перед ступенью, двигающейся на сверхзвуковой скорости образуется ударная волна, в которой воздух сжимается. Из–за этого повышается его температура. Если ступень будет двигаться слишком быстро, то воздух ударной волны может её перегреть, несмотря на имеющуюся жидкостную систему охлаждения.

Во–первых, сама по себе точка посадки. Если речь о суше, то всё понятно: необходимая координата просто находится в центре посадочной площадки. Но как быть с посадкой в океане?

А она тоже точно рассчитана и предопределена! Вопреки расхожему мнению, ступень не летит к дрейфующей плавучей барже. Она направляется в заранее заданную координату, идеальную в плане затрат топлива, в то время как баржа со своей стороны автономно и без управления человеком должна удерживать собственный центр в этой координате. На высоте около 10 километров в работу активно вступает радар на первой ступени: он помогает точно определить, где находится баржа, совпадают ли её координаты с координатами точки посадки и хватает ли топлива для самой посадки. Если что–то идёт не так, ступень автоматически направляется в океан и пытается мягко сесть на его поверхность, чтобы не повредить осколками от возможного взрыва платформу.

Если всё в порядке, начинается завершающий этап.

При подлёте к барже выполняется последнее зажигание двигателей, Landing Burn. Причём рассчитано оно так, чтобы торможение было идеальным и ступень снизила скорость до нулевой ровно в момент касания платформы. Это позволяет избежать удара и подпрыгиваний во время волнения на воде. Хотя удаётся не всегда. Выдвигаются посадочные опоры, которые позволяют мягко сесть, на случай немного жёсткой посадки в опорах есть специальные картриджи, которые, сминаясь, гасят энергию удара…

А затем ступень фиксируется прибывшим персоналом при помощи цепей. При этом у SpaceX есть специальный управляемый удалённо робот OctaGrabber: он должен фиксировать ускоритель при помощи гидравлических домкратов.

Так что в отличие от той же малютки Blue Origin New Shepard, Falcon 9 не зависает над посадочной площадкой: она действительно максимально плавно тормозит до нуля метров в секунду.

Кстати, о Blue origin и прочих конкурентах. Ролик–презентации ракеты New Glenn удивил многих любителей космоса именно тем, что там ступень садится прямо на плавучую платформу во время движения. Обеспечить такую посадку гораздо труднее, поэтому, несмотря на утверждения представителей Blue Origin, будто эта посадка будет более стабильной, я склонен думать, что пока это просто неграмотная анимация, а не реальные планы компании Джеффа Безоса. Скорее всего, New Glenn будут садиться по той же схеме, что и Falcon 9 с Falcon Heavy. Первый полёт ракеты этого семейства запланирован на следующий год, а вот о посадках, помимо того, что они в принципе будут, ничего не известно.

Rocket Lab, которую мы сегодня уже упоминали, планируют другой способ: её лёгкая Electron из углепластика вполне может спускаться на парашютах, правда (помните о вреде солёной воды) не в океан. Парашют должен будет подхватываться специальным вертолётом, который затем мягко опустит ступень на специальное судно. Затея опасная и пока труднопредставимая, но уже в ближайших запусках компания Питера Бека займётся испытаниями этой системы. Зрелище будет очень классное, мы обязательно покажем его в прямых эфирах, которые регулярно проводим на канале. К слову, в марте компания уже успела поймать массогабаритный макет ступени в полёте. Выглядит завораживающе:

Подобный рокетлабовскому подход предлагают и американские конкуренты Илона Маска, United Launch Alliance, только их концепт предполагает возвращение одного двигательного отсека, а не всей ступени. Правда об испытаниях и приблизительных сроках пока ничего не слышно.

О важности многоразовых систем заговорили Европейская Арианспейс и российский Роскосмос, но дальше слов дело тоже пока что не заходило.

Так что ближе всего к реализации многоразовых проектов на момент записи этого ролика, весну 2020–го года, находятся Rocket Lab и Blue Origin. И… сама SpaceX, чей Starship потихоньку строится в виде полноразмерных прототипов и активно готовится к прыжкам на несколько километров.

Система посадки этого летательного средства будет аналогична той, что используется в Falcon 9. Только посадка будет всегда на сушу: мощности системы Starship–Superheavy по планам должно быть достаточно для выведения любых адекватных нагрузок на любую орбиту и возврата “домой” на остатках топлива. Сама “первая ступень” системы, ракета SuperHeavy в будущем должна садиться прямо на стартовый стол, но в первых пусках во избежание аварий будет осуществлять посадку на специальных площадках при помощи опор вроде тех, что есть у Falcon 9.

Но обо всём этом нам только предстоит узнать.

Если же говорить о делах насущных, Falcon 9 — единственная многоразовая ракета. Да, пока мы не знаем, сколько раз она действительно может слетать повторно, во сколько именно обходится межполётное обслуживание, но оно точно дешевле, чем производство полностью новой ступени. А значит, SpaceX верно идёт к своей цели.

После успешного запуска капсулы поддержки, ракета Falcon 9 от SpaceX попыталась приземлиться на баржу в море. Как вы знаете, посадка не удалась. Стоит ли удивляться? Можно удивиться только тому, что ракета вообще оказалась близко к месту посадки. Ведь то, что пытается сделать SpaceX, невероятно сложно.

Почему же эту ракету сложно посадить? Для этого нам нужно взглянуть на процесс посадки ракеты с точки зрения физики. Мы будем говорить об общих физических принципах, а не технических деталях посадки ракеты.

Высадка на Луну — это просто

Хотя настоящая игра в высадку на Луну не такая уж и простая, она определенно легче, чем посадка SpaceX Falcon 9. В чем разница? У лунного модуля есть ракета снизу, но вращается он при помощи других двигателей сбоку. У Falcon 9 есть ракетный двигатель снизу, и он используется как для движения ракеты, так и для ее вращения. Поэтому маневрировать Falcon 9 немного сложнее (кроме того, на Луне гравитационное поле гораздо меньше), как объясняет специалист Wired.

Три маневра для ракеты

Ракета Falcon 9 может делать три вещи, используя главный двигатель:

Наверное, нужен быстрый пример. Допустим, ракета Falcon идет на посадку и у нее есть некоторая горизонтальная скорость. Для того чтобы замедлиться для безопасной посадки, ракета должна двигаться в противоположном направлении. Вот что происходит.

Чтобы ускориться вправо, ракета изменяет угол. Но поскольку эта сила тяги не действует в линии, которая проходит через центр масс, возникает крутящий момент, который изменяет вращательное движение корабля. Добавьте к этому тот факт, что вам всегда нужно изменять значение тяги, чтобы ускорять ракету вверх и вниз.

Посадить такую ракету крайне сложно. Вы можете даже попробовать сделать нечто подобное самостоятельно. Возьмите швабру или длинную палку и отправьтесь туда, где вы никого и ничего не зацепите. Потом попробуйте ходить, балансируя вертикально установленной шваброй на руке, просто установив на нее один конец объекта. Как перестать двигаться при этом?

В этом примере действительно можно остановить швабру, и она не упадет. Но в случае с ракетой, вам нужно одновременно остановить ее и удерживать вертикально до конца.

Почему бы не использовать другую конструкцию ракеты?

Давайте рассмотрим несколько ракетных конструкций. Во-первых, у нас есть Falcon 9. Во-вторых, у нас есть плоская конструкция, которую будет весьма просто посадить — что-то вроде лунного посадочного модуля.

В любом случае, думаю, теперь понятно, почему сделать ракету для запуска полезного груза на орбиту и благополучной посадки на баржу в земном океане в дальнейшем довольно трудно.

--> FISHKINET

Прототип ракеты компании SpaceX впервые приземлился

Как ведут себя некоторые девушки в День святого Валентина

Любой каприз за ваши деньги: мужчины решили заработать на Дне святого Валентина

У Жириновского нашли воспалительные процессы в головном мозге

Силовики в Нижнем Новгороде задержали троих человек за размещение нацистской символики в сети

Новые правила медосвидетельствования, которые будут действовать с 1 марта

В Подмосковье задержали нечистую на руку воспитательницу

Гонорар за гонор: почему актера Валерия Николаева перевели из спецприемника в психушку?

Влюбленные в лыжников: как выглядят жены наших олимпийских чемпионов (21 фото)

МОК отменит церемонию награждения, если в тройку призёров войдёт Камила Валиева

Плачущие дети, горящие бомбочки и рогоносцы: самые странные фестивали разных стран мира

Психологи были в шоке от расценок консультаций девятилетней Алисы Тепляковой

Женщина подожгла хибару с бездомными под Иркутском

"Невероятные приключения итальянцев в России": 20 интересных фактов

Рамзан Кадыров обратился к президенту и народу Украины

Отказ склонить флаг родной страны на Олимпиаде: характер, убеждения или пренебрежение общими.

Мистер Икс, Карапузик и Койот: в Екатеринбурге вынесли приговор хакерам группировки Lurk

Большой кусь: Два бегемота сцепились в часовой схватке на реке в Южной Африке

В Ростовской области мужчина устроил акт самосожжения

Двигался нервно и неровно: инспекторам пришлось стрелять по колесам автовоза

Смотри какая открывашка: интересные девайсы, которыми можно открыть бутылку

Ржавь и панды: забавные и полезные украшения для авто

В похоронной конторе Ивановской области обнаружили надгробия с портретами Обамы, Меркель и Трампа

Напавшего на престарелую чеченку единоросса хотят исключить из партии

Глава Минздрава Нижегородской области определяет ковид-симулянтов по голосу

Снова в СИЗО: почему отменен прежний приговор экс-главе Раменского района?

В Омске на пешеходном переходе водитель сбил женщину с ребёнком

Откровенно, пошло, навязчиво: нескромные анкеты девушек с сайтов знакомств

Аэроцикл De Lackner HZ-1: персональный одноместный вертолет 1950-х годов

15 дизайнеров и архитекторов, фантазия которых превзошла все самые смелые ожидания

White Nikes Matter: как москвич пожаловался на расовую дискриминацию в известной компании

Эксперты рассказали, почему не стоит бояться радиации

В Тверской области человека при смерти повезли в больницу в ковше трактора

Какими интересными подарками отметились россияне 14 февраля 2022 года

Изображение симуляции спуска сверхтяжелой ракеты-носителя Starship. ФОТО: SpaceX

Вся бизнес-модель SpaceX основана на возможности многократного использования ракет. Эта бизнес-модель снова и снова доказывает свою жизнеспособность, поскольку ракеты-носители продолжают благополучно приземляться, чтобы в будущем использоваться повторно. Однако, поскольку ракеты, которые планирует использовать SpaceX, становятся все больше, для их посадки требуется совершенно новая технология приземления. Для своей сверхтяжелой ракеты-носителя Starship, предназначенной для вывода на орбиту звездолета, SpaceX разрабатывает совершенно новый способ захвата ракеты. Глава компании Элон Маск опубликовал в Твиттере видеоролик, показывающий, как именно это будет сделано.

Читайте также: